Mechanisms of recovery and regeneration of thermal skin damage using nanosecond microwave pulses

The authors of this lecture performed a comprehensive analysis of possible mechanisms for stimulating reparative processes after thermal skin damage using nanosecond repetitive pulsed microwave (RPM) radiation. The study analyzes both thermal and non-thermal mechanisms of the biological action of electromagnetic radiation, with special emphasis on the molecular aspects of the effects of nanosecond microwave pulses. Special attention is paid to the role of membrane proteins, calcium-dependent signaling pathways, and extracellular matrix components in realizing the regenerative potential of low-intensity microwave exposure. The study reveals the complex relationships between the physical parameters of RPM radiation (intensity, frequency, duration of pulses) and the activation of key cellular processes that ensure accelerated healing without scarring. The work uses experimental data obtained on models of burn injuries in laboratory animals (Wistar rats) using spectrophotometric, hematological, and histological methods. RPM radiation is a promising physical factor for stimulating skin regeneration, acting through non-thermal mechanisms. The combination of RPMs with cell therapy and pharmacological agents can become the basis of new protocols for the treatment of burns and other skin injuries. Further research is aimed at developing personalized treatment regimens, taking into account phases of the injury.

1. Taha N., Daoud H., Malik T., Shettysowkoor J., Rahman S. The Effects of Low-Level Laser Therapy on Wound Healing and Pain Management in Skin Wounds: A Systematic Review and Meta-Analysis. Cureus. 2024;28;16(10):e72542. DOI: 10.7759/cureus.72542.

2. Cao X., Wu X., Zhang Yu., Qian X., Sun W., Zhao Yu. Emerging biomedical technologies for scarless wound healing. Bioactive Materials. 2024;42:449–477. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2024.09.001.

3. Праздников Э.Н., Фархат Ф.А., Евсюкова З.А. Применение аппаратных технологий в регуляции раневого процесса у лабораторных животных. Оперативная хирургия и клиническая анатомия. 2021;5(4);42–49. DOI: 10.17116/operhirurg2021504142.

4. Preetam S., Ghosh A., Mishra R., Pandey A., Roy D.S., Rustagi S. et al. Electrical stimulation: a novel therapeutic strategy to heal biological wounds. Royal Society of Chemistry Advances. 2024;14:32142–32173. DOI: 10.1039/D4RA04258A.

5. Bedja-Iacona L., Scorretti R., Ducrot M., Vollaire C., Franqueville L. Pulsed electromagnetic fields used in regenerative medicine: An in vitro study of the skin wound healing proliferative phase. Bioelectromagnetics. 2024;45(6):293–309. DOI: 10.1002/bem.22508.

6. Самойлова А.В., Гостюхина А.А., Большаков М.А., Ростов В.В., Кутенков О.П., Зайцев К.В и др.; ИСЭ СО РАН. Способ стимуляции заживления ожоговых травм в эксперименте. Патент № 2811662 РФ, № 2023110944; Заявл. 26.04.2023. Опубл. 15.01.2024.

7. Шаробаро В.И., Мороз В.Ю., Юденич А.А., Ваганова Н.А., Гречишников М.И., Ваганов Н.В. Пластические операции на лице и шее после ожогов. Клиническая практика. 2013;(4):17–21. DOI: 10.17816/clinpract4417-21.

8. Прохоров Д.В., Щербенёва А.А., Нгема М.В., Испирьян М.Б., Кузнецова М.Ю. Современные методы комплексного лечения и профилактики рубцов кожи. Крымский терапевтический журнал. 2021;(1):26–31.

9. Bolshakov M.A., Knyazeva I.R., Rostov V.V., Korovin M.S., Neverova L.P. (Zharkova L.P.), Afanas’ev K.V. et al. Initiation of free-radical oxidation in albino mice by exposure to pulse periodic microwaves and X-rays. Biophysics. 2005;50(1):104–109. DOI: 10.1134/S000635090507016X.

10. Zharkova L.P., Buldakov M.A., Knyazeva I.R., Kutenkov O.P., Litvyakov N.V., Mamonova N.V. et al. Sensitivity of some biological objects to repetitive submicrosecond microwave pulses. Journal of Energy and Power Engineering. 2012;6(6):925–932.

11. Самойлова А.В., Гостюхина А.А., Жаркова Л.П., Большаков М.А., Дорошенко О.С., Цыганков Р.В. и др. Изменение скорости деления костномозговых клеток крыс Wistar после воздействия наносекундными микроволновыми импульсами разной интенсивности. Сибирский научный медицинский журнал. 2024;44(6):162-170. DOI: 10.51871/2588-0500_2021_05_01_15.

12. Samoylova A.V., Gostyukhina A.A., Bolshakov M.A., Yartsev V.V., Evseeva S.S., Doroshenko O.S. et al. Combined effects of bone marrow cells and pulsed microwaves on thermally damaged skin of laboratory rats. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2024;178:91–95. DOI: 10.1007/s10517-024-06288-5.

13. Князева И.Р., Медведев М.А., Жаркова Л.П., Гостюхина А.А., Кутенков О.П., Ростов В.В. и др. Действие наносекундного импульсно-периодического микроволнового излучения на процессы регенерации. Бюллетень сибирской медицины. 2011;10(6):109–113. DOI: 10.20538/1682-0363-2011-6-109-113.

14. Жаркова Л.П., Мамонова Н.В., Князева И.Р., Кутенков О.П., Ростов В.В., Большаков М.А. Регенерация нейрогенных изъязвлений слизистой желудка после облучения импульсно-периодическим микроволновым излучением. Вестник Томского государственного университета. Биология. 2010;(2):112–122.

15. Dekoninck S., Blanpain C. Stem cell dynamics, migration and plasticity during wound healing. Nature Cell Biology. 2019;21:18–24. DOI: 10.1038/s41556-018-0237-6.

16. Wang X., Hsi T.C., Guerrero-Juarez C.F., Pham K., Cho K., McCusker C.D. et al. Principles and mechanisms of regeneration in the mouse model for wound-induced hair follicle neogenesis. Regeneration. 2015;2:169–181. DOI: 10.1002/reg2.38.

17. Tsygankov R.V., Rostov V.V., Bolshakov M.A., Samoilova A.V., Zharkova L.P., Gostyukhina A.A. et al. Application of nanosecond microwave pulses in batch regime for healing of burn wounds. International Research Journal. 2024;1(139). DOI: 10.23670/IRJ.2024.139.11.

18. Schwan H.P. History of the genesis and development of the study of low energy electromagnetic fields. Biological effects and dosimetry of non-ionizing radiation. New York: Plenum, 1981:1–17.

19. Тяжелов В.В., Алексеев С.И. Проблемы формирования представлений о первичных механизмах биологического действия высокочастотных электромагнитных полей. Проблемы экспериментальной и практической электромагнитобиологии. Пущино: ОНТИ НЦБИ, 1983:35–56.

20. Алексеев С.И., Зискин М.С., Фесенко Е.Е. К механизму действия микроволн на бислойные липидные мембраны: роль мембраноформирующего отверстия в тефлоновой перегородке. Биофизика клетки. 2009;54(3):488–491.

21. Чуян Е.Н., Раваева М.Ю., Миронюк И.С., Джелдубаева Э.Р., Черетаев И.В., Ливенцов С.Ю. Механизмы влияния низкоинтенсивного электромагнитного излучения миллиметрового диапазона на тканевую микрогемодинамику. Технологии живых систем. 2024;21(1):29–45. DOI: 10.18127/j20700997-202401-03.

22. Керея А.В., Большаков М.А., Жаркова Л.П., Иванов В.В., Князева И.Р., Кутенков О.П. и др. Эффект воздействия наносекундного импульсно-периодического микроволнового излучения на эпидидимальную жировую ткань мышей. Радиационная биология. Радиоэкология. 2014;54(6):606‒612. DOI: 10.7868/S0869803114060071.

23. Попов В.И., Рогачевский В.В., Гапеев А.Б., Храмов Р.Н., Чемерис Н.К., Фесенко Е.Е. Дегрануляция тучных клеток кожи под действием низкоинтенсивного электромагнитного излучения крайне высокой частоты. Биофизика. 2001;46(6):1096–1102.

24. Kvandal P., Stefanovska A., Veber M., Kvermmo H.D., Kirkeboen K.A. Regulation of human cutaneous circulation evaluated by laser Doppler flowmetry, iontophoresis, and spectral analysis: importance of nitric oxide and prostaglandins. Microvascular Research. 2003;65(3):160–171.

25. Исаева Е.В., Бекетов Е.Е., Аргучинская Н.В., Иванов С.А., Шегай П.В., Каприн А.Д. Децеллюляризованный внеклеточный матрикс для тканевой инженерии (Обзор). Современные технологии в медицине. 2022;14(3):57–69. DOI: 10.17691/stm2022.14.3.07.

26. Yamashita Y.M., Fuller M.T., Jones D.L. Signaling in stem cell niches: lessons from the Drosophila germline. Journal of Cell Science. 2005;118(4):665–672. DOI: 10.1242/jcs.01680.

27. Jung C.S., Kim B.K., Lee J., Min B.H., Park S.H. Development of printable natural cartilage matrix bioink for 3D printing of irregular tissue shape. Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 2017;15(2):155–162. DOI: 10.1007/s13770-017-0104-8.

28. Novoseletskaya E.S., Grigorieva O.A., Efimenko A.Y., Kalinina N.I. Extracellular matrix in the regulation of stem cell differentiation. Biochemistry (Moscow). 2019; 84:232–240. DOI: 10.1134/S0006297919030052.

29. Wang Q., Zhang N., Hu L., Xi Y., Mi W., Ma Y. Integrin β1 in adipose-derived stem cells accelerates wound healing via activating PI3K/AKT pathway. Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 2020;(1). DOI: 10.1007/s13770-019-00229-4.

30. Adey W.R. Frequency and power windowing in tissue interactions with weak electromagnetic fields. Proceedings of the IEEE. 1980;68(1):119–125.

31. Maskey D., Kim M., Aryal B., Pradhan J., Choi I.-Yo., Park K. et al. Effect of 835 MHz radiofrequency radiation exposure on calcium binding proteins in the hippocampus of the mouse brain. Brain Research. 2010;1313:232–241. DOI: 10.1016/j.brainres.2009.11.079.

32. Шишкина В.В., Антакова Л.Н., Золотарева С.Н., Атякшин Д.А. Матриксные металлопротеиназы в ремоделировании внеклеточного матрикса: молекулярные клеточные и тканевые аспекты. Журнал анатомии и гистопатологии. 2022;11(3):93–108. DOI: 10.18499/2225-7357-2022-11-3-93-108.

33. Hunt M., Torres M., Bachar-Wikstrom E., Wikstrom J.D. Cellular and molecular roles of reactive oxygen species in wound healing. Communications Biology. 2024;7:1534. DOI: 10.1038/s42003-024-07219-w.

34. Жаркова Л.П., Князева И.Р., Иванов В.В., Большаков М.А., Кутенков О.П., Ростов В.В. Влияние импульсно-периодического рентгеновского и микроволнового излучений на уровень перекисей в изолированных гепатоцитах. Вестник Томского государственного университета. 2010;333:161–163.

35. Большаков М.А., Жаркова Л.П., Иванов В.В., Керея А.В., Князева И.Р., Кутенков О.П. и др. Оценка активности ферментов антиоксидантной защиты митохондрий печени мышей после воздействия наносекундного импульсно-периодического микроволнового излучения. Вестник Томского государственного университета. Биология. 2012;3:122–136.